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目录0.前言 (1)1. 不完全微分PID算法设计 (2)2.算法仿真研究 (3)3.一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制程序 (4)4.实验结果 (7)5.结论及总结 (8)参考文献 (8)课设体会 (10)一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制沈阳航空航天大学北方科技学院摘要：提出在PID算法中加入一阶惯性环节，通过不完全微分PID算法来改善干扰对系统的影响，用MATLAB仿真分析说明该算法在改善过程的动态性能方面具有良好的控制精度。
在现代工业生产中，自动控制技术的使用越来越多，而随着工业和控制技术的发展，自动控制理论也在发展和完善，出现了多种控制方法如最基础的PID控制以及微分先行控制、中间微分控制、史密斯补偿控制、模糊控制、神经网络控制等。
自动控制技术的发展在工业生产中遇到了一系列的问题：如在本文中所研究的一阶纯滞后系统的控制就是控制理论中一个较为重要的问题。
由控制理论可知，无滞后控制系统（简单点说就是没有延迟）比有滞后系统更加稳定，更加容易控制。
因此如何解决生产中滞后的问题在当前工业大生产中尤其重要。
论文在常规PID控制也就是比例-积分-微分控制的基础上提出了三种控制方法即：微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制。
并对这三种方案进行Simulink 仿真，检测其抗干扰性能。
为便于分析，论文将所得仿真结果以图形的方式给予显示出来，形象生动便于理解。
关键词：一阶纯滞后 ;不完全微分;仿真;PID0.前言在多数工业过程当中,控制对象普遍存在着纯时间滞后现象,如化工,热工过程等.这种滞后时间的存在,会使系统产生明显的超调量和较长的调节时间,滞后严重时甚至会破坏系统的稳定性,在工业生产上产生事故.因此长期以来,纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制对象,人们也对它进行了大量的研究.在现代工业生产和理论研究中出现了多种控制方法,如PID控制、PID改进控制、Smith 预估算法控制以及模糊控制、神经网络控制等.而对于最基础的一阶纯滞后系统常用的控制方法主要是PID 控制、不完全微分PID 控制.1. 不完全微分PID 算法设计为了克服上述缺点， 在PID 算法中加一个一阶惯性环节（低通滤波器）G f （S ）=1/[1+T f （S ）]，将低通滤波器直接加在微分环节上，构成如图1的不完全微分PID 控制：式中，T 为采样时间，T f 为滤波器系数，T 1和T D 分别为积分时间常数和微分时间常数，令 ɑ=T f /(T f +T),则T/（T+T f ）=1-ɑ；显然有1<α，1−α<1成立，不完全微分项为：若e(k)为单位阶跃（即e（k）=1，k=0,1,2，∧）由此得出不完全微分项为：可见，引入不完全微分后，微分输出按ɑk U D（0）的规律)（ɑ(1)逐渐衰减，所以不完全微分能有效地克服前述微分项的不足。
实验8实验指导书具有纯滞后系统的大林控制实验8具有纯滞后系统的大林控制系统一、实验目的1．了解算法的基本原理；2.掌握纯滞后对象的控制算法及其在控制系统中的应用。
2、实验设备1．thbcc-1型信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台2．thbxd数据采集卡一块(含37芯通信线、16和usb电缆线各1根))三、实验内容1.纯滞后一阶惯性环节达林算法的实现。
2.采用纯滞后二阶惯性环节实现达林算法。
4、实验原理在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间?对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。
当对象的纯滞后时间? 与对象的惯性时间常数相比，传统的比例积分微分（PID）控制难以获得良好的控制性能制性能。
长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿预估)控制。
本实验基于达林算法。
Dalin算法的综合目标不是最小拍频响应，而是具有纯滞后时间的一阶滞后响应。
其等效闭环传递函数为要求的等效环节的时间常数，t为采样周期。
通过对零阶holder方法进行离散，可以得到系统的闭环传递函数：v.实验步骤1、实验接线1.1根据图8-1，连接惯性链接的模拟电路；1.2用导线将该电路输出端与数据采集卡的输入端“ad1”相连，电路的输入端与数据采集卡的输入端“da1”相连；2.脚本程序运行2.1启动计算机，在桌面双击图标“thbcc-1”，运行实验软件；2.2顺序点击虚拟示波器界面上的开始钮和工具栏上的脚本编程器2.3点击脚本编辑器窗口文件菜单下的“打开”按钮，选择“计算机控制算法VBS\\basic algorithm of computer control technology”文件夹下的“Dalin algorithm”脚本程序并打开。
阅读并理解节目，2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示察图输出端的响应曲线；2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改程序中n(可模拟对象的滞后时间，滞后时间为n*运行步长，单位为ms；当运行步长，n的取值范围为1～5)值以修改对象的滞后时间，再点击“启动”按钮。
目录一课程设计内容任务 (3)二对课设任务的解读 (3)三系统结构模型框图 (3)四各部分程序流程图 (4)五数字控制器设计 (5)六系统仿真 (6)七抗干扰性分析 (11)八硬件设计 (13)九系统设计硬件元素选型 (14)十心得体会.............................................................................. 16 十一参考文献 (16)附硬件设计图一、课程设计内容任务1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节 (G(s=K*e-θs/(Ts+1温度控制系统和给定的系统性能指标, (工程要求相角裕度为 30~60,幅值裕度 >6dB;要求测量范围 -50℃~ 200℃,测量精度 0.5%,分辨率 0.2℃;2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图,并转化为系统结构图;3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图;4、用 MATLAB 和 SIMULINK 进行仿真分析和验证;K=10*log(C*C-sqrt(C,rand(‘state’,C,T=rand(1, θ=0或 T/2, C 为学号的后 3位数,如:C=325, K=115.7, T=0.9824, θ=0或 0.4912;5、进行可靠性和抗干扰性的分析;6、书写设计体会和心得。
二、对课设任务的理解和分析1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制,选取实际生活中常见的温度为控制对象;2、该任务只需要一个控制对象,进行可靠性和抗干扰性分析时设定随机干扰量, 观察仿真图形和性能,故可以选取简单回路控制系统模型进行设计;3、硬件设计过程采取分步设计,由局部到整体,主要有温度检测模块、输入通道部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路、数码管显示等; 4、取θ= T/2, 大纯时延系统的控制算法有多种,根据其特定性能,本设计在 PID 算法和达林算法之间权衡之后做出选择,最终采用达林控制算法来实现系统控制,取期望闭环传递函数 H(s,求解出数字控制器 D(z及其差分方程;5、编写程序流程图,采取正确的思路和方法,包括主程序流程图、 8155初始化、滤波、键盘输入、达林算法、延时等;6、仿真分析和验证过程采用 MATLAB 和 SIMULINK 实现,主要针对仿真性能调节系统参数, 并结合典型输入信号的随机干扰进行可靠性、稳定性和抗干扰性分析。
一阶控制系统是自动控制理论中的重要概念，它在工程实践和学术研究中具有广泛的应用。
一阶控制系统指的是系统的传递函数中包含一个一阶惯性环节的控制系统。
在控制系统理论中，一阶控制系统通常用于描述简单的动态行为，对于理解和分析动态系统具有重要意义。
下面将从一阶控制系统的定义、特点、数学模型以及在工程中的应用等方面进行详细介绍。
一、一阶控制系统的定义一阶控制系统是指系统的传递函数中包含一个一阶惯性环节的控制系统。
一阶惯性环节通常由一个惯性元件和一个比例增益组成，典型的一阶惯性环节可以表示为\[G(s) = \frac{K}{Ts+1}\]，其中K为系统的增益，T为时间常数。
一阶控制系统的特点是其传递函数中只包含一个一次项，因此在频域和时域响应上表现出特定的动态特性。
二、一阶控制系统的特点1. 简单性：一阶控制系统的数学描述相对简单，通常只包含一个一次项，便于分析和设计。
2. 惯性特性：一阶控制系统的响应受到惯性元件的影响，具有惯性特性，对输入信号的变化有一定的滞后效应。
3. 稳态误差：对于一阶控制系统，在单位阶跃输入信号的情况下，会存在稳态误差，需要通过增加系统增益或者采用补偿措施进行调节。
4. 动态响应：在单位阶跃输入信号的作用下，一阶控制系统的动态响应呈现指数衰减的特点，具有一定的时间常数。
三、一阶控制系统的数学模型一阶控制系统的数学模型可以通过传递函数来描述，其一般形式为\[G(s) = \frac{K}{Ts+1}\]。
其中K为系统的增益，T为系统的时间常数，s为复变量。
传递函数描述了系统的输入与输出之间的关系，通过传递函数可以分析系统的频域特性、稳定性以及动态响应等信息。
通过对一阶控制系统的传递函数进行频域分析，可以得到系统的幅频特性和相频特性。
幅频特性描述了系统对不同频率输入信号的响应情况，而相频特性则描述了系统对不同频率输入信号的相位变化情况。
这些信息对于系统的稳定性和性能评价具有重要意义。
简述一阶控制系统的基本概念及其主要特点
一阶控制系统是指仅包含一个控制环节的控制系统，其主要包括输入信号、控制器、过程、输出信号和反馈信号等基本组成部分。
一阶控制系统的主要特点有以下几点：
1. 系统响应具有惯性：由于系统具有惯性，需要一定的时间才能达到稳定状态，因此系统响应速度相对较慢。
2. 系统稳态误差存在：在一阶控制系统中，由于没有积分环节，无法完全消除输入信号与输出信号之间的误差，因此系统在稳态下仍会存在一定的误差。
3. 系统响应具有指数衰减特性：在一阶系统中，输出信号的响应呈指数衰减的趋势，即随着时间的增加，响应的幅值逐渐减小。
4. 系统稳定性易于分析：一阶控制系统的稳定性分析相对简单，可以通过判断系统的传递函数极点位置来判断系统的稳定性。
5. 系统难以满足高性能要求：由于一阶系统具有较低的响应速度和较大的稳态误差，因此难以满足一些对响应速度和稳定性要求较高的控制任务。
目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)温度控制系统和给定的系统性能指标(工程要求相角裕度为30～60，幅值裕度>6dB);要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃；2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图；3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图；4、用MA TLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证； 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1),考虑θ=0或T/2两种情况。
C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912。
5、进行可靠性和抗干扰性的分析。
1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。
整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。
以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。
图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
《计算机控制技术》课程设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计班级：姓名：学号：指导老师：日期：目录一、设计任务 (1)1.1 题目 (1)1.2内容与要求 (1)二、设计思想与方案 (2)2.1控制策略的选择 (2)2.2 硬件设计思路与方案 (2)2.3 软件设计思路与方案 (3)三、硬件电路设计 (3)3.1温度传感器输出端与ADC的连接 (3)3.2 ADC与单片机8051的连接 (4)3.3 单片机8051与DAC的连接 (4)3.4 整机电路 (5)四、系统框图 (7)五、程序流程图 (8)5.1 主程序流程图 (8)5.2 子程序流程图 (9)六、数字调节器的求解 (11)6.1 基本参数的计算 (11)七、系统的仿真与分析 (13)7.1 θ=0时系统的仿真与分析 (13)7.2 θ=0时系统的可靠性与抗干扰性分析 (14)7.2 θ=0.4461时系统的仿真与分析 (16)7.3 θ=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析 (17)八、设计总结与心得体会 (20)参考资料 (21)一、 设计任务一、题目设计1. 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1sKe G s Ts τ-=+的温度控制系统和给定的系统性能指标：✧ 工程要求相角裕度为30°～60°，幅值裕度>6dB✧ 要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃2. 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图 具体要求：✧ 温度传感器、执行机构的选型✧ 微型计算机的选型（MCS51、A VR 等等）✧ 温度传感器和单片机的接口电路✧ 其它扩展接口电路（主要是输入输出通道）✧ 利用Protel 绘制原理图，制作PCB 电路板（给出PCB 图）3. 软件部分：✧ 选择一种控制算法（最少拍无波纹或Dalin 算法）设计出控制器（被控对象由第4步中的参数确定），给出控制量的迭代算法，并借助软件工程知识编写程序流程图✧ 写出主要的单片机程序4. 用MATLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1)考虑θ=0或T/2两种情况，即有延时和延时半个采样周期的情况。
一、实验目的1. 理解大林控制算法的基本原理及其设计过程。
2. 掌握大林控制算法在计算机控制系统中的应用。
3. 通过实验验证大林控制算法在解决纯滞后系统控制问题上的有效性。
二、实验原理大林控制算法（Dahlin Control Algorithm）是一种针对具有纯滞后特性的控制对象而设计的新型控制算法。
该算法的核心思想是将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟形式，然后通过反向设计得到满足这种闭环响应的控制器。
对于具有纯滞后特性的被控对象，其传递函数可以表示为：\[ G(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]其中，\( K \) 为系统增益，\( T_s \) 为采样周期，\( T \) 为纯滞后时间。
大林控制算法要求选择闭环传递函数 \( W(s) \) 时，采用相当于连续一阶惯性环节的 \( W(s) \) 来代替最少拍多项式。
如果对象有纯滞后，则 \( W(s) \) 应包含有同样的纯滞后环节。
带有纯滞后的控制系统闭环传递函数为：\[ W(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]根据大林控制算法，可以设计出满足期望闭环响应的数字控制器 \( D(z) \)：\[ D(z) = \frac{K_1 e^{-\frac{1}{T}}}{(1 - e^{-\frac{1}{T_1}}) (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})} \cdot \frac{1}{[1 - e^{-\frac{1}{T_1}} (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})] (1 - e^{-\frac{1}{T} z^{-1}})} \]其中，\( K_1 \)、\( T_1 \) 和 \( T_2 \) 为大林算法的参数。
三、实验仪器1. MATLAB 6.5软件一套2. 个人PC机一台四、实验步骤1. 启动MATLAB软件，创建一个新的脚本文件。
一、实验目的1. 理解大林算法的基本原理和设计过程。
2. 掌握大林算法在计算机控制系统中的应用。
3. 分析大林算法对控制系统性能的影响。
二、实验仪器1. PC计算机一台2. MATLAB 6.5软件一套3. EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台三、实验原理大林算法是一种针对具有纯滞后特性的控制系统而设计的控制算法。
该算法通过将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟，然后根据这种闭环响应设计控制器，从而实现对具有纯滞后特性的系统的控制。
四、实验内容1. 实验被控对象的构成：（1）惯性环节的仿真电路及传递函数。
（2）纯延时环节的构成与传递函数。
（3）被控对象的开环传递函数。
2. 大林算法的闭环传递函数：闭环传递函数为：\[ G(s) = \frac{K}{T_{s}^{N} \left( \frac{s}{T} + 1 \right)} \]其中，\( K \)为增益，\( T \)为时间常数，\( N \)为纯滞后时间。
3. 大林算法的数字控制器：数字控制器为：\[ D(z) = \frac{(1 - e^{-\frac{1}{T}})(1 - e^{-\frac{1}{T_{1}}z^{-1}})}{K \left(1 - e^{-\frac{1}{T_{1}}}z^{-1}\right) \left[1 - e^{-\frac{1}{T}}z^{-1} - (1 - e^{-\frac{1}{T}})z^{-N}\right]} \]其中，\( K \)为增益，\( T \)为时间常数，\( T_{1} \)为时间常数，\( N \)为纯滞后时间。
五、实验步骤1. 启动计算机，打开MATLAB软件。
2. 编写程序，搭建被控对象模型。
3. 根据被控对象模型，设计大林算法控制器。
4. 对大林算法控制器进行仿真，观察控制效果。
5. 分析大林算法对控制系统性能的影响。
六、实验结果与分析1. 仿真结果：（1）大林算法控制器的阶跃响应。
